P. Schmidt, R. Körber, M. Coppers Sieben und Siebmaschinen

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3 P. Schmidt, R. Körber, M. Coppers Sieben und Siebmaschinen Sieben und Siebmaschinen Paul Schmidt, Rolf Körber und Matthias Coppers Copyright 2003 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KG aa, Weinheim ISBN:

4 Weitere empfehlenswerte Bücher Schubert, H. (Hrsg.) Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik 2 Bände 2003 isbn Hess, W. F. Partikel-Messtechnik 2003 isbn Pietsch, W. Agglomeration Processes 2002 isbn Kaye, B. H. Characterization of Powders and Aerosols 1999 isbn Zlokarnik, M. Stirring 2001 isbn Kraume, M. (Hrsg.) Mischen und Rühren Grundlagen und moderne Verfahren Gasper, H., Oechsle, D., Pongratz, E. (Hrsg.) Handbuch der industriellen Fest-/Flüssig-Filtration 2., vollständig überarbeitete und stark erweiterte Auflage 2000 isbn isbn

5 Paul Schmidt, Rolf Körber, Matthias Coppers Sieben und Siebmaschinen Grundlagen und Anwendung

6 Prof. em. Dr.-Ing. Paul Schmidt ehemals Universität GH Essen Institut für Apparatetechnik, FB 12 Universitätsstr. 2 D Essen Germany Dr.-Ing. Rolf Körber Technolog Ückendorfer Str. 151 D Essen Germany Dr.-Ing. Matthias Coppers, Dipl.-Ing. Manfred Fischer RHEWUM GmbH Rosentalstr. 24 D Remscheid Germany Dr.-Ing. Ernst Heinrich Dreßler Richard-Wagner-Str. 17 D Freiberg Germany Obering. Norbert Scholz Max-Planck-Str. 9 D Haßloch Germany Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, daß diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form by photoprinting, microfilm, or any other means nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publishers. Registered names, trademarks, etc. used in this book, even when not specifically marked as such, are not to be considered unprotected by law. Gedruckt auf säurefreiem Papier. Satz Typomedia GmbH, Ostfildern Druck Strauss Offsetdruck, Mörlenbach Bindung Großbuchbinderei J. Schäffer GmbH & Co KG, Grünstadt Printed in the Federal Republic of Germany. ISBN

7 V Inhalt Vorwort IX 1 Grundlagen des Siebens Allgemeine Bemerkungen Korngrößenverteilung und Trennschärfe Anwendungsgebiete: Eine Übersicht 7 2 Theorie des Siebens Rieselsiebung Haftkräfte zwischen Partikeln Ultraschallsiebung Durchgangswahrscheinlichkeit Der Siebvorgang als Reaktion erster Ordnung Empirische Siebfunktionen Dimensionsanalytische Behandlung des Siebvorganges Rieselsiebung ohne und mit Vibration Allgemeine Anwendung der Dimensionsanalyse beim Sieben Wechselwirkung zwischen Korn und Siebmasche Schräges Auftreffen auf die Siebfläche Strömungssiebung 29 3 Siebmaschinen Siebmaschinen mit indirekter Erregung des Siebes Roste Wurfsiebe Kreis- und Ellipsenschwingsieb Linearschwingsiebe Mehrdeck-Siebmaschinen 41

8 VI Inhalt Wahrscheinlichkeitssieb, Sizer Bogen- oder Bananen-Sieb Doppelfrequenz-Siebmaschinen (DF) Plansiebe Rundsiebe und Taumelsiebmaschinen Rechtecksiebmaschine Trommelsiebe Zentrifugalsiebe Siebhilfen bei indirekt erregten Sieben Siebmaschinen mit direkter Erregung des Siebes Punktförmige Erregung Linienförmige Erregung Elektromagnetischer Antrieb der Schwingachsen, Bauart WA Taumelrüttler-Antrieb der Schwingachsen Kuppelstangen-Antrieb der Schwingachsen, Bauart M Siebmaschinen flacher Bauform, Bauart WAF Direkt erregte Bogen-Siebe, arc-siebe Siebmaschinen mit sich verformenden Siebflächen Strömungssiebmaschinen Pneumatische Siebmaschinen Verwehen einer Siebfläche Nass-Siebe Nasssieb mit Zusatzbefeuchtung und Doppelfrequenz- Antrieb Funktionsweise des Doppelfrequenz (DF)-Nasssiebes Einfluss des Doppelfrequenz-Antriebes bei der Nasssiebung Wasserkreislauf Vibrations-Nasstrommelsieb 89 4 Siebung in der Praxis Siebflächen Charakterisierung von Siebgeweben Reinigung der Siebgewebe Mehrdeck-Siebmaschinen Konstruktiver Aufbau der Mehrdeck-Siebmaschine Baugrößen der Mehrdeck-Siebmaschine Technische Besonderheiten der Mehrdeck-Siebmaschine Schwingungsparameter Verspannung Wartung Ausgewählte Ergebnisse und Einsatzbeispiele mit Mehrdeck-Siebmaschinen 105

9 Inhalt VII Siebklassierung von Basalt-Brechsand Siebklassierung von Siedesalz im Feinstbereich Schutzsiebung und Staubabtrennung bei einem chemischen Produkt Weitere verallgemeinerungsfähige Ergebnisse Einfluss der Maschenweite Einfluss der Siebdeckanzahl Zusammenfassung Beispiele zur praktischen Siebung Schutzabsiebung Anlage zur Erzeugung spritzkornfreier Quarzmehle Herstellung von spritzkornfreiem Glassand Entstaubung Absiebung von Feinkristallen in der Zuckerindustrie Entstaubung von Kali-Granulat vor der Verladung Klassierung Klassierung im Mahl- und Siebkreislauf Klassierung in einem Mahl- und Siebkreislauf mit Kompaktierpresse Splittklassierung für bituminöse Fahrbahndecken Fraktionierung von Schleifmitteln nach dem FEPA-Standard Analysensiebung Einleitung Probenahme Probenvorbereitung Siebanalyse Handsiebung Plan-Prüfsiebung Wurf-Prüfsiebung Nass-Prüfsiebung Luftstrahl-Prüfsiebung Siebanalysen-Vorschriften Siebanalysengerät Impulsgesteuertes Analysengerät Luftstrahl-Präzisionssiebe Analysen-Nass-Siebgeräte Auswertung Typische Anwendung der Analysensiebung und Beurteilung von technischen Trennungen Versuche 174

10 VIII Inhalt 5 Anhang Literaturverzeichnis Normenübersicht Verwendete Formelzeichen Glossar 184 Register 209

11 IX Vorwort Mit einer Ausnahme werden die Grundoperationen der Verfahrenstechnik ausführlich in der Fachliteratur beschrieben: Über das Siebklassieren gibt es zwar viele, in Zeitschriften und Büchern verstreute Artikel, aber ein eigenes Fachbuch fehlt. Deshalb hat die Firma Rhewum GmbH in Remscheid vor etwa zehn Jahren eine Broschüre, die Siebfibel, veröffentlicht. Diese hat so großes Interesse gefunden, dass wir sie jetzt zu einem Fachbuch über Sieben erweitert haben. Behandelt wird das Sieben als Grundoperation mit den dazugehörigen Maschinen (Konstruktionen, Siebflächen und Betriebsweise). Verständlicherweise stehen Erzeugnisse der Firma Rhewum im Vordergrund; andere Produkte finden aber ebenfalls Berücksichtigung, da eine objektive Behandlung des Siebklassierens unser Ziel ist. Unter Sieben versteht man allgemein das Trennen eines polydispersen Stoffes in zwei Fraktionen: größer und kleiner als die Trennkorngröße. Diesen Vorgang nennt man Klassieren. Sind die Fraktionen verschiedene Stoffe, spricht man von Sortieren. Der Begriff Nass-Siebung bezeichnet das Trennen von Feststoff in Flüssigkeit. Obwohl diese Vorgänge der Menschheit seit Jahrtausenden bekannt sind, existiert für das Siebklassieren bis heute keine abgeschlossene Theorie, da eine Vielzahl von Einflussgrößen erfasst werden muss. Deshalb wird das Auslegen einer Siebmaschine weit gehend empirisch vorgenommen. Zweifellos ist es aber sinnvoll, möglichst viel theoretisches Wissen einzubringen, um mit weniger Experimenten auskommen zu können. In der Praxis erweist sich der Einfluss von Sekundäreffekten wie Feuchtigkeit, elektrostatische Ladung, Feinstgutgehalt, Kornform oder Trennschärfe oft als entscheidend für die Wahl einer Siebmaschine. Für die angestrebte optimale Siebung müssen alle Faktoren berücksichtigt werden. Meist stellt sich heraus, dass die wirtschaftlichste Siebung auch die optimale Siebung ist, wobei als Betriebsweise eine stetige Siebung angestrebt

12 X Vorwort wird. Chargensiebung kommt nur noch für Analysensiebung in Frage. Trockensiebung ist immer die erste Wahl, sofern Nass-Siebung nicht zwingend vorgegeben ist; ähnlich verhält es sich mit mechanischer Siebung und Strömungssiebung. Einsatzgebiete der Siebmaschinen sind die chemische, metallurgische und pharmazeutische Industrie sowie die Bereiche Düngemittel, Salze und Zucker, ferner Nahrungsmittel, Kunststoff- und Pigmentherstellung. Des weiteren zu nennen ist der Bereich der Steine und Erden mit seinen zahlreichen Zweigen (Kalk, Zement, Grund- und Weißputze usw.). Schließlich ist noch die Fein- und Mittelkornsiebung von Kohle und Erzen von Bedeutung. Dieses Buch wendet sich in erster Linie an die gegenwärtigen und zukünftigen Kunden von Siebmaschinen, seien es Praktiker oder Ingenieure, aber auch an alle Fachkollegen und nicht zuletzt an Studenten der Verfahrenstechnik. Ich danke allen, die ihr Wissen und ihre Erfahrung eingebracht haben. Kernen, im Frühjahr 2003 Prof. em. Dr.-Ing. Paul Schmidt

13 1 1 Grundlagen des Siebens 1.1 Allgemeine Bemerkungen Zunächst sollen das Sieben und die Siebtechnik definiert und eingeordnet werden. Nach der Gewinnung oder Erzeugung von mineralischen, synthetischen oder organischen Roh- und Zwischenprodukten liegt in den meisten Fällen ein Schüttgut mit Körnern unterschiedlicher Größe und Form vor. Zur weiteren Aufbereitung müssen diese Körnergemische in unterschiedliche Korngrößenbereiche oder -klassen getrennt werden. Dies erfolgt mithilfe von Klassierverfahren. Bei jedem Klassiervorgang erhält man zwei Kornfraktionen unterschiedlicher Größenverteilung, ein Grob- und ein Feingut. Erwünscht ist, dass sich alle Körner, die kleiner sind als die charakteristische Trennkorngröße x T, im Feingut befinden, alle größeren im Grobgut. Das einfachste mechanische Klassierverfahren ist das Sieben. Die Trennung erfolgt dabei durch häufig wiederholten, statistischen Vergleich der einzelnen Körner der Größe x mit Sieböffnungen der charakteristischen Größe w (Abbildung 1.1), wobei ein gleichzeitiger Siebguttransport auf meist bewegten Sieben erfolgt. Die potenzielle Energie des Siebgutes bewirkt bei der meist schwingenden oder rotierenden Siebbodenbewegung ein Durchfallen des Feingutes durch die Sieböffnungen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Korn durch die Sieböffnung fällt, ist um so größer, je kleiner das Verhältnis der Korngröße x zur Weite der Sieböffnung w ist. Wird das Korn annähernd so groß wie die Sieböffnung, kommt es zu Problemen. So können Grenzkörner (0,8 w < x < w) zu einer geringeren Siebleistung führen und schließlich Klemmkörner (w < x < 1,2 w) die Sieböffnungen völlig blockieren. Bei der Siebung im Feinstkornbereich (x < 0,5 mm) kommt zusätzlich der Einfluss der Haftkraft (F H ~ x) des Kornes hinzu, die kleiner werden kann als dessen Massenkraft (F M ~ x 3 ). Sieben und Siebmaschinen Paul Schmidt, Rolf Körber und Matthias Coppers Copyright 2003 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KG aa, Weinheim ISBN:

14 2 1 Grundlagen des Siebens Grobgut ṁ G, x > w x Aufgabe ṁ 0 = ṁ G0 + ṁ F0 w d Feingut ṁ F : x < w Probleme: Grenzkorn (0.8 w < x < w) führt zu geringer Siebleistung. Klemmkorn (w < x < 1.2 w) blockiert die Sieböffnungen. Bei der Feinstsiebung wird die Massenkraft F m ~ x 3 viel kleiner als die Haftkraft F H ~ x. Abb. 1.1 Sieben als Vergleich der Partikelgröße x des Aufgabegutes (ṁ 0) mit der Maschenweite w. Trennung in Grobgut (ṁ G) und Feingut (ṁ F); Grenzkorn oder Klemmkorn mit x w führt zum Blockieren der Sieböffnungen Nach dieser theoretischen Begriffsbestimmung des Siebens und seiner wichtigsten Probleme wollen wir einen Blick auf die Praxis werfen. Stellen Sie sich vor, Sie haben die Aufgabe, ein bestimmtes Siebgut zu klassieren. Dabei interessiert Sie nicht, was physikalisch an der Siebfläche vor sich geht; Sie wollen lediglich wissen, welche Siebmaschine zu beschaffen ist und wie man sie einstellen muss, um ein optimales Siebergebnis zu erhalten. Eine solche Information liefert üblicherweise der Hersteller der Siebmaschine. Die meisten Hersteller bieten ein begrenztes Lieferprogramm, etwa Wurfsiebe oder Plansiebe, aus dem Sie ein passendes Angebot erstellen. Nun kann Ihr zu siebendes Produkt eines von Tausenden ähnlicher Produkte sein. So ist beispielsweise Quarzsand nicht immer und überall gleich, selbst wenn die Korngrößenverteilung übereinstimmt. Es müssen dann weitere Faktoren berücksichtigt werden, etwa Durchsatz, Trennschärfe, Feuchtigkeit, Kornform, Verunreinigungen usw. Zur Lösung eines anstehenden Problems könnte man Informationen sehr vieler Siebklassierer mit ähnlicher Aufgabe sammeln und die Antworten mithilfe eines Computers auswerten. Insbesondere durch die Anwendung von Statistik wird man dann eine brauchbare Antwort finden. Viele Hersteller gehen so vor, legen die gesammelten Daten aber nicht offen.

15 1.1 Allgemeine Bemerkungen 3 Aufgabe ṁ 0 = ṁ F0 + ṁ G0 = Q(x) bzw. q(x) bzw. = x ; n (RRSB) Spez. Siebleistung ṁ* = ṁ/at in kg/m 2 s x w d Trenngütegrad η = ṁ F /ṁ F0 Fehlkornanteil η FK = ṁ FG /ṁ G g e, ω Vibrator β Überlauf ṁ G + ṁ FG Durchgang ṁ F Abb. 1.2 Vorgänge beim Siebklassieren. Der Schwingungserreger (b) bewirkt ein mechanisches Fluidisieren des Gutbettes, das zu einer Schichtbildung des Aufgabegutes ṁ 0 und zum Transport entlang des Siebbodens (a) führt. Trennen in Überlauf ṁ G und Durchgang ṁ F erfolgt durch Diffusion und Wahrscheinlichkeit unter dem Einfluss von Schwingbeschleunigung a und Erdbeschleunigung g. Es sind alle Einflussgrößen aufgezeigt, die für die Schwingsiebung maßgebend sind Sicher werden Sie Angebote einholen, die Sie kritisch vergleichen. Wenn Ihnen das genügt, können Sie sich weiteren Zeitaufwand sparen. Wenn Sie aber grundsätzlich an Basiswissen über den Siebvorgang interessiert sind, als Betreiber ein optimales Siebergebnis erzielen wollen oder gar Siebmaschinen herstellen und entwickeln, dann wird Ihnen der folgende Text Hilfestellung bieten können. Auch bei verfahrenstechnisch optimaler Siebung kann in manchen Fällen ein maschinentechnisch unbefriedigendes Ergebnis dazu zwingen, vom der theoretisch optimalen Vorgehen abzuweichen. Maßgebend für die Wahl von Maschinenkonstruktion und -einstellung ist letztlich die Gesamtwirtschaftlichkeit des Betriebes. So ist etwa für die Wahl zwischen Wurfoder Plansieb oft die Veränderung des Siebgutes, etwa durch Abrieb, entscheidend. In den meisten Anwendungsfällen handelt es sich um stetige Siebung, also einen kontinuierlichen Prozess. Wie Abbildung 1.2 zeigt, wird ein Aufgabestrom ṁ 0 über die Siebfläche geführt und in einen Feingutstrom ṁ F im Durchgang und einen Grobgutstrom ṁ G im Überlauf getrennt. Das